Часть 1

7. Помехоустойчивость Uп max – наибольшее значение напряжения на входе микросхемы, при котором еще не происходит изменение уровней выходного напряжения. Помехоустойчивость определяет работоспособность логического элемента при наличии различных помех, действующих на входе ИМС наряду с полезным сигналом. Помехи могут как возникать в самих логических схемах, так и наводиться от посторонних устройств.

Помехи бывают статические и динамические. Под статическими понимают помехи, длительность которых значительно превосходит длительность переходных процессов в логических элементах. К импульсным (динамическим) помехам относятся коротковременные импульсы, длительность которых соизмерима с длительностью переходных процессов в логических элементах.

Статическая помехоустойчивость – это наименьшее постоянное напряжение, которое, будучи добавлено (при самом неблагоприятном сочетании обстоятельств) к полезному входному сигналу, смещает рабочую точку на передаточной характеристике в область переключения, что вызывает ложное срабатывание по всей последующей цепи логических схем. Логическая ИМС в статическом режиме может находиться в одном из двух состояний – открытом или закрытом. Поэтому различают помехоустойчивости закрытой схемы по отношению к отпирающим помехам и открытой схемы по отношению к запирающим.

Обычно используют безразмерный коэффициент статической помехоустойчивости

Кст. = UUпом. , лог.

где Uлог. – логическая разность напряжений (рис 14.22, а).

Причиной появления статических помех в большинстве случаев является падение напряжения на проводниках, соединяющих микросхемы в устройстве. Наиболее опасные помехи возникают в шинах питания. Для исключения подобных ситуаций необходимо внимательно относиться к расположению проводников, подводящих напряжения питания, увеличивать по возможности их сечение.

По статической помехоустойчивости логические элементы условно можно разделить на элементы:

снизкой помехоустойчивостью, UП ст. = 0,2...0,4 В; со средней помехоустойчивостью, UП ст. = 0,4...0,8 В;

свысокой помехоустойчивостью, UП ст. > 0,8 В.

271

Импульсная помехоустойчивость всегда выше статической. Это вызвано тем, что при коротком импульсе помех паразитные емкости в логическом элементе не успевают перезарядиться до пороговых уровней переключения ИМС. Поэтому при одинаковой статической помехоустойчивости схемы с меньшим временем задержки сильнее подвержены действию импульсных помех.

Допустимая амплитуда помехи зависит от ее длительности. Эта зависимость называется характеристикой импульсной помехоустойчивости

(см. рис. 14.22, б).

Рис. 14.22. Характеристика импульсной помехоустойчивости

8. Средняя потребляемая мощность от источника питания Рпот.ср..

P = P0пот. + P1пот. , пот.ср. 2

где Р0пот. и P1пот. – мощности, потребляемые схемой в состоянии логического нуля «включено» и в состоянии логической единицы «выключено».

Такое определение справедливо, когда мощность, потребляемая схемой во время переходных процессов, значительно меньше мощности, потребляемой в одном из статических состояний. В противном случае микросхема характеризуется еще и средним значением мощности, потребляемой при максимальной частоте переключения элемента. По потребляемой мощности ИМС делятся на:

мощные – 25 мВт < Рср. < 250 мВт (ЭСЛ схемы); средней мощности – 3 мВт < Рср. < 25 мВт (ТТЛ схемы); маломощные – 0,3 мВт < Рср. < 3 мВт;

микромощные – 1 мкВт < Рcр. < 300 мкВт (КМДП схемы); нановаттные – Рср. < 1 мкВт (И2Л).

272

Потребляемая мощность зависит от напряжения источника питания UИП. При снижении UИП уменьшается потребляемая мощность, ухудшаются помехоустойчивость, нагрузочная способность, а иногда и быстродействие. В связи с этим UИП выбирается с учетом требований, предъявляемых ко всем параметрам ИМС. Оно должно соответствовать одному из значений стандартного ряда напряжений питания: 1,2; 1,6; 2,0; 2,4, 3,0; 4,0; 5,0; 6,3; 9,0; 12,6 В. Для цифровых микросхем на биполярных транзисторах типовые значения UИП составляют 2...5 В, для схем на МДП-транзисторах – 5...9 В.

9. Помимо номинального значения UИП определяется допустимое отклонение питания

ξп = UИП ном. / UИП .

Для цифровых устройств ξп = 0,05...0,1, так как при более низких значениях существенно повышаются требования к источникам питания.

Цифровые ИМС, потребляющие большую мощность, характеризуются наибольшим быстродействием и применяются для создания быстродействующих вычислительных устройств. В устройствах, для которых быстродействие не является определяющим параметром, применяются мало-

имикромощные схемы.

10.Для оценки мощности, потребляемой схемой во время переключения, используется интегральный параметр, называемый энергией пере-

ключения. Он определяется как произведение потребляемой мощности Рср. на время задержки τзд: А = Рср.τзд. Работа, затрачиваемая на выполнение единичного переключения, называется энергией переключения.

Снижение потребляемой мощности ИМС при сохранении высокого быстродействия является одной из важных проблем микроэлектроники. В настоящее время наметились два пути снижения потребляемой мощности:

- создание логических элементов, работающих при минимально допустимых токах и напряжениях;

- создание логических элементов, потребляющих энергию только при переключениях и практически не потребляющих ее в статических состояниях.

11.Надежность интегральных логических элементов определяет их свойство выполнять заданные функции при сохранении эксплуатационных показателей в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки на отказ. Надежность интегральных логических элементов характеризуется количеством отказов соединений между контактными площадками на кристалле и выводами корпуса в единицу

273

времени. Надежность ИМС в нормальных условиях эксплуатации значительно выше надежности аналогичных схем на дискретных элементах. Надежность ИМС сильно зависит от температурных изменений электрических параметров транзисторов, диодов, резисторов, входящих в ИМС. Поэтому для ИМС всегда задается диапазон рабочих температур, в котором значения параметров не выходят за принятые значения.

2. Динамические характеристики и параметры. Они характери-

зуют работу ИМС в момент переключения из нуля в единицу или из единицы в ноль.

1. Время переключения из логического нуля в логическую единицу t01 – это время, за которое напряжение на входе или выходе возрастает от 0,1 до 0,9 уровня логической единицы (рис. 14.23).

Рис. 14.23. Определение динамических характеристик

2.Время переключения из логической единицы в логический ноль t10.

3.Время задержки распространения сигнала при переключении из нуля в единицу t01зад..

4.Время задержки распространения сигнала при переключении из логической единицы в логический ноль t10зад..

5.Среднее время задержки распространения сигнала, характеризует быстродействие ИМС. Обозначение – tзад.ср..

t = t01зад. + t10зад.

зад.ср. 2

Если цепь состоит из N последовательно включенных однотипных логических ИМС, то время прохождения сигнала по цепи одной ИС

274

T= N2 tзад.вкл. + N2 tзад.выкл.

изависит от режима работы транзистора в микросхеме и потребляемой мощности.

По среднему времени задержки ИС делятся на:

сверхбыстродействующие – tзд ср. < 5 нс; быстродействующие – 10 нс > tзд ср. > 5 нс; среднего быстродействия – 100 нс > t зд ср. > 10 нс;

низкого быстродействия – t зд ср. > 100 нс.

Схемы ТТЛ типа относятся к схемам среднего быстродействия, 50 нс > tзд ср > 5 нс. Наибольшее быстродействие имеют транзисторные логические схемы с эмиттерными связями (ЭСЛ), tзд ср = 1…10 нс.

С параметром быстродействия тесно связана максимальная рабочая частота (переключений) Fmax = К / tзд ср, где К – конструктивно-техноло- гический коэффициент, зависящий от типа логики.

14.4. Классификация логических устройств

Логические устройства могут быть классифицированы по различным признакам. В зависимости от способа ввода и вывода информации цифровые устройства подразделяются на последовательные, параллельные и по- следовательно-параллельные.

Последовательным называется устройство, в котором входные сигналы поступают на вход, а выходные сигналы снимаются с выхода последовательно разряд за разрядом. Устройство называется параллельным, если входные сигналы подаются на вход, а выходные сигналы снимаются с выхода одновременно. В последовательно-параллельных устройствах входные и выходные сигналы представлены в разных формах. Либо на вход сигналы поступают последовательно сигнал за сигналом, а с выхода они снимаются одновременно, либо наоборот.

По принципу действия все цифровые устройства делятся на два класса: комбинационные и последовательные (накопительные). Комбинационными цифровыми устройствами (ЦКУ) называются устройства, выходные сигналы которых определяются только действующими в данный момент входными сигналами и не зависят от внутреннего состояния устройства. Последовательными устройствами называются цифровые устройства, выходные сигналы которых зависят не только от входных сигналов, но и от внутреннего состояния устройства. Этот тип устройств часто называют цифровыми автоматами.

275

Контрольные вопросы

1.Что такое система счисления?

2.Какие арифметические и логические операции вам известны?

3.Расскажите о логических функциях, приведите примеры обозначения и таблицы истинности для элементов, их реализующих.

4.Реализуйте с помощью переключателей логические функции.

5.Расскажите о характеристиках и параметрах цифровых ИМС.

6.Что такое помеха и помехоустойчивость?

7.Расскажите о классификации логических устройств.

Тема 15. Базовые логические элементы цифровых интегральных микросхем

Термины: ТЛНС, ТРЛ, РЕТЛ, ДТЛ, ТТЛ, ЭСЛ, И2Л, КМДП-

логика, квазистатические элементы, статический режим, шина питания.

15.1.Диодно-транзисторная логика

15.2.Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

15.3.Логические элементы ТТЛ со специальными выводами

15.4.Логические элементы на полевых транзисторах МОП-структуры

15.5.Эмиттерно-связная логика

15.6.Интегральная инжекционная логика (И2Л)

15.7.Правила схемного включения элементов

Логические интегральные микросхемы выпускаются в виде серии логических элементов. Микросхемы, выполненные по биполярной технологии и схемотехнической реализации, делятся на следующие группы:

1)транзисторная логика с непосредственной связью между логическими элементами (ТЛНС);

2)транзисторная логика с резистивными связями между логическими элементами (ТРЛ);

3)резистивно-емкостная транзисторная логика (РЕТЛ);

4)диодно-транзисторная логика (ДТЛ);

5)транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

6)эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);

7)инжекционная интегральная логика И2Л.

Сприменением полевых транзисторов наибольшее развитие получили микросхемы КМДП-логики.

276

Серии цифровых интегральных микросхем ТЛНС, ТРЛ, РЕТЛ, ДТЛ не используются в новых разработках из-за низких характеристик. Наиболее интенсивное распространение в настоящее время получили серии цифровых интегральных микросхем, построенных на основе ТТЛ, ЭСЛ, И2Л, КМДП-логики.

Разработка каждой серии микросхем начинается с базового логического элемента – основы всех элементов, узлов и устройств серии. Базовые логические элементы выполняют либо операцию И-НЕ, либо ИЛИ-НЕ. Разнообразие типов базовых элементов объясняется тем, что каждый из них имеет свои достоинства и свою область применения.

15.1. Диодно-транзисторная логика

Диодно-транзисторная логика (ДТЛ) представляет собой сочетание диодных логических ячеек с транзисторным инвертором. Базовым логическим элементом всех серий ДТЛ является элемент Шеффера (элемент И-НЕ), реализующий операцию логического умножения с отрицанием. Промышленностью выпускаются следующие серии элементов ДТЛ: К104,

К109, К 151, К 158, К 156, К202, К215, К217, К218, К221, К240, К511.

Схема логического элемента ДТЛ представлена на рис. 15.1.

Рис. 15.1. Принципиальная электрическая схема (а) и условное обозначение (б) базового логического элемента серии ДТЛ

Входные диоды VD1...VD3 и резистор R1 образуют входную логическую схему, выполняющую в положительной логике операцию И. Инвертор на транзисторе VT1 выполняет логическую операцию НЕ, усиливает и формирует сигналы на выходе до стандартного уровня. Смещающие диоды VD4 и VD5 предназначены для увеличения порога запирания и помехоустойчивости схемы в закрытом состоянии, а резистор R2 и UИП2 обес-

277

печивают оптимальную величину тока этих диодов. Диоды VD1...VD3 должны обладать минимальным сопротивлением в проводящем состоянии, высоким обратным напряжением, малой емкостью и малым временем восстановления обратного сопротивления.

Рассмотрим принцип работы ДТЛ. Пусть на один (или на все) вход подается низкий входной сигнал логического нуля U°вх.. Входной диод (или все диоды) открывается и оказывается замкнутым на общую шину. От источника питания UИП через резистор R1, открытый диод и входную цепь протекает ток, при этом потенциал точки А уменьшается до уровня прямого падения напряжения на диоде: UА = U°вх. + Uпр, где Uпр – падение напряжения на открытом входном диоде. При отсутствии VD4, VD5 потенциал базы транзистора VT1 был бы положительным, а транзистор – открыт. Диоды VD4, VD5 а также второй источник UИП2 повышают помехоустойчивость схемы.

При одновременной подаче на все входы высокого уровня напряжения логической единицы диоды VD1...VD3 запираются. Транзистор VT1 переходит в область насыщения за счет тока, протекающего от источника питания UИП1 через R1 и открытые диоды VD4…VD5 в базу транзистора. На выходе схемы появляется низкий уровень напряжения U0вых., близкий к нулю.

15.2. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

Элементы транзисторно-транзисторной логики являются дальнейшим усовершенствованием ДТЛ, которое осуществляется заменой диодной сборки многоэмиттерным транзистором. Многоэмиттерный транзистор представляет собой совокупность нескольких транзисторных структур, имеющих общий коллектор и общую базу и непосредственно взаимодействующих друг с другом только за счет движения основных носителей.

Эмиттерные переходы МЭТ выполняют функции входных диодов в схемах ДТЛ, а коллекторный переход – роль смещающего диода.

Характерной особенностью элементов ТТЛ является:

–высокая помехоустойчивость;

–большое быстродействие;

–хорошая нагрузочная способность;

–малая потребляемая мощность;

–высокая надежность;

–малая стоимость.

278

15.2.1. Транзисторно-транзисторная логика с простым инвертором

На рис. 15.2, 15.3, 15.4 приведены схема, ВАХ и таблица истинности ТТЛ с простым инвертором.

Принцип действия

Если хотя бы на один из входов будет подаваться сигнал логического нуля, соответствующий эмиттерный переход транзистора VT1 будет открыт, и через него будет протекать ток от плюса источника питания (ИП), через резистор R1, база – эмиттер VT1, общий провод, минус источника питания. В цепи коллектора VT1, а, следовательно, и в цепи базы VT2 ток будет отсутствовать, транзистор VT2 будет находиться в режиме отсечки, на выходе будет высокий уровень напряжения логической единицы. При подаче на оба входа логических единиц оба эмиттерных перехода закрываются и ток будет протекать по цепи от плюса ИП, через R1, база – коллектор VT1 и на базу VT2. Транзистор VT2 перейдет в режим насыщения, и на выходе установится низкий уровень напряжения логического нуля.

Недостатком ТТЛ с простым инвертором является маленький коэффициент разветвления.

15.2.2. ТТЛ со сложным инвертором. Схема ТТЛ со сложным ин-

вертором приведена на рис. 15.5, таблица истинности – на рис. 15.6.

279

Если хотя бы на одном из входов будет действовать логический ноль, соответствующий эмиттерный переход будет открыт, и через него будет протекать ток по цепи от плюса ИП, через R1, база – эмиттер VT1, общий провод, минус ИП. В цепи коллектора VT1, а, следовательно, и в цепи базы VT2 ток будет отсутствовать, VT2 будет находиться в режиме отсечки, ток через транзистор VT2, а значит, ток базы VT4 будут близки к нулю. Транзистор VT4 также будет находиться в режиме отсечки, и на выходе будет высокий уровень напряжения логической единицы. При этом напряжение на коллекторе VT2 и на базе VT3 будет максимальным и VT3 будет находиться в полностью открытом состоянии.

При подаче на оба входа логических единиц оба эмиттерных перехода закрываются и ток будет протекать по цепи от плюса ИП, через R1, переход база-коллектор VT1 на базу VT2. Транзистор VT2 перейдет в режим насыщения. Ток через него, а, следовательно, и ток базы VT4 будет максимальным, и транзистор VT4 перейдет в режим насыщения. На выходе будет низкий уровень логического нуля. При этом напряжение на коллекторе VT2 и на базе VT3 будет близко к нулю и VT3 перейдет в полностью закрытое состояние. Диод VD1 применяется для более надежного запирания транзистора VT3.

Базовые элементы различных серий ТТЛ различаются только инверторами, которые должны улучшать переходные характеристики, повышать помехоустойчивость и нагрузочную способность, потреблять небольшую мощность. Логические элементы со сложным инвертором потребляют большую мощность, занимают большую площадь кристалла, поэтому на их основе изготавливаются цифровые микросхемы малой и средней степени интеграции.

Быстродействие логических элементов различных серий ТТЛ можно повысить двумя путями:

–уменьшая сопротивление резисторов и паразитные емкости;

–обеспечивая работу транзисторов в активном, т.е. ненасыщенном режиме, при котором отсутствует накопление и рассасывание носителей в базах транзисторов.

Оба эти способа нашли практическое применение. Первый способ использовался при создании ТТЛ серий К130 и К131. Второй способ повышения быстродействия цифровых микросхем ТТЛ связан с применением транзисторов с барьером Шоттки. При этом высокое быстродействие сочетается с умеренным потреблением мощности. Диоды Шоттки подключаются параллельно коллекторному переходу транзистора, а транзисторы с диодами Шоттки называют транзисторами с барьером Шоттки или транзисторами Шоттки.

280